轴心受压等边角钢构件局部稳定受力性能随钢材强度变化规律的研究

随着钢结构的发展,高强度热轧等边角钢在钢结构中的应用越来越广泛,如输电铁塔和大跨度桁架等.而高强度钢材在材料性能方面与普通强度钢材有明显的区别,使得钢材强度不同时轴心受压等边角钢构件的局部稳定受力性能存在较大差异.目前国内外关于这方面的研究成果较少.笔者利用通用有限元分析软件ANSYS 建立有限元模型,考虑了构件的残余应力和几何初始缺陷,对轴心受压等边角钢构件的局部稳定受力性能进行了有限元分析,研究其随钢材强度和宽厚比变化的影响规律,并与美国规范(AISC 360-05)和欧洲规范(Eurocode 3)的设计方法进行了比较,提出了设计建议,为相关设计提供了参考.     

国产Q460高强度钢材焊接工字形截面残余应力试验及分布模型研究

焊接残余应力是影响钢结构受压构件整体稳定性能的一种重要初始缺陷. 为研究国产Q460高强度钢材焊接工字形截面的残余应力分布, 该文采用分割法对8个不同截面尺寸和焊缝类型的截面试件进行了测量. 基于近2000组测量数据, 得到了不同试件全截面的残余应力分布和拉、压应力大小, 并研究了腹板和翼缘的板件宽厚比、板件厚度、焊缝类型以及腹板和翼缘的相关性等因素对残余应力的影响. 试验结果表明, 残余压应力的数值大小与截面尺寸直接相关而基本不受焊缝类型的影响, 残余拉应力的大小则与截面尺寸没有相关性;由于翼缘和腹板内的残余应力能够分别满足自平衡条件, 二者没有相互间的影响作用. 最后, 该文提出了能够准确描述试验结果和截面尺寸影响的国产Q460高强钢焊接工字形截面的残余应力分布模型和计算公式.     

超高强度钢材焊接截面残余应力分布研究

超高强度钢材(屈服强度≥460MPa)已经在多个钢结构实际工程中得到应用,但关于其构件截面残余应力以及轴心受压整体稳定性的研究还很少。该文总结了国外已有的超高强度钢材焊接截面残余应力的试验测量结果,针对工字形、箱形和十字形三种焊接截面,分析了截面残余压应力与板件宽厚比的关系,并提出了这三种焊接截面超高强度钢材构件残余应力的分布模型和具体计算公式,为研究超高强度钢材受压构件的整体和局部稳定受力特性提供了前提条件。     

Q345GJ钢(中)厚板H形及箱形柱残余应力与轴压稳定承载力分析

采用条形切割法对三种截面规格的Q345GJ钢焊接H形和箱形截面残余应力进行测试,通过MATLAB拟合得到其简化的多折线分布模式,并与规范所取残余应力分布模式对比。对9根焊接H形和3根焊接箱形（中）厚板足尺构件进行轴压试验,获得构件整体稳定承载力。引入实测残余应力,通过ABAQUS进行Q345GJ钢轴压柱有限元分析,并与试验结果、规范计算结果进行对比,同时开展参数化分析获得轴压构件稳定曲线。试验及分析结果表明:Q345GJ钢H形和箱形截面采用多折线简化分布模式更符合残余应力实测结果;Q345GJ钢（中）厚板H形截面翼缘采用不分层或考虑分层的残余应力简化模式,对于构件绕弱轴稳定承载力影响不大;Q345GJ钢H形截面实测残余应力分布模式在翼缘自由端处与规范有较大区别,构件在正则化长细比为0.4~1.1区段的稳定承载力有下降趋势。     

460MPa高强钢箱形截面轴压柱局部稳定有限元分析和设计方法研究

为研究460MPa高强度钢材等边箱形截面轴心受压柱的局部稳定受力性能和设计方法, 该文采用有限元软件ANSYS建立有限元模型, 考虑残余应力和局部初始几何缺陷的影响, 对3组共10个460MPa等边箱形截面轴心受压短柱的局部屈曲进行了有限元分析, 并将极限承载力计算值与试验实测值进行对比, 结果证明该模型能够准确分析计算460MPa高强度钢材等边箱形截面轴心受压柱的局部屈曲受力性能。利用该模型进行有限元参数分析, 与钢板的宽厚比相比, 钢板厚度、钢板长宽比、残余压应力值和局部初始几何缺陷幅值等因素对局部屈曲受力性能的影响都很小。将试验实测值和参数分析的结果与中国、美国和欧洲钢结构设计规范中箱形截面局部稳定设计曲线进行对比, 表明现行规范的设计方法不够安全。该文提出的建议设计公式适用于460MPa高强度钢材等边箱形截面轴心受压柱局部屈曲极限应力的设计计算。     

波浪腹板变截面压弯构件稳定承载力设计方法和试验研究

波浪腹板变截面压弯构件用做边柱铰接的门式轻钢结构中,主要承担弯矩、剪力与轴力。该文基于现行《门式刚架轻型房屋钢结构规程》CECS102:2002中的相关公式,建立了波浪腹板变截面压弯构件平面内稳定承载力与平面外稳定承载力的设计公式。进行了大量的有限元数值计算,其中通过变化构件的几何设计参数并考虑了各种缺陷(几何初始缺陷与残余应力)的影响,验证了所建立的设计公式的可靠性。进行了两根变截面波浪腹板构件的压弯稳定承载性能的试验研究,考察了其失稳机理及稳定承载力,并与有限元数值分析结果吻合较好。     

T字钢轴心压杆稳定承载力研究

本文考虑残余应力的影响，对Ｔ字钢轴心受压构件在弹性阶段和弹塑性阶段的稳定承载力进行了分析研究，提出了构件稳定承载力的计算公式，理论分析的计算结果与试验值比较接近，本文还提出了供设计参考的Ｔ字钢轴心受压构件稳定承载力的简化计算方法。     

反复水平荷载作用下偏心常轴压箱形钢柱抗震性能的数值分析

建立考虑材料非线性、几何非线性、几何初始缺陷、残余应力影响的有限元模型,对反复水平荷载作用下偏心常轴压箱形钢柱的受力性能进行模拟分析。通过与相关试验结果的比较,验证了有限元模型的正确性。在此基础上,对85个箱形构件进行数值分析,研究反复水平荷载作用下常偏压箱形钢柱的抗震性能。研究结果表明,腹板宽厚比是影响构件抗震性能的最主要因素,腹板宽厚比越大,构件的刚度、承载力退化越严重,延性越差。对于中等长细比的构件,当轴压比较小时,构件的抗震性能受整体失稳、局部屈曲和塑性变形的相互影响;但当轴压比较大时,整体失稳将起控制作用。柱顶弯矩使构件的骨架曲线发生平移,但柱顶弯矩对构件抗震性能的影响相对较小。根据有限元计算结果,回归出反复荷载作用下偏心常轴压箱形钢柱可承受的最大柱顶剪力和位移延性系数的拟合公式。     

不锈钢压弯构件整体稳定性能有限元研究与承载力计算方法

该文采用有限元软件ANSYS建立了焊接不锈钢压弯构件有限元模型,并基于试验结果验证了该模型的有效性。采用经验证的有限元模型分析了残余应力和几何初始缺陷对构件整体稳定性能的影响,并在广泛的截面等级、荷载偏心和长细比组合下进行了参数分析以产生足够的数据点。最后,利用有限元分析结果对我国现行《不锈钢结构技术规程》（CECS 410―2015）中的计算方法进行评价,并给出了提高计算精度的改进方法。结果表明:CECS 410―2015中的计算方法对于不锈钢焊接工字形和箱形截面压弯构件整体稳定承载力的预测均偏于保守,改进的计算方法能够更精确地预测不锈钢焊接工字形和箱形截面压弯构件的整体稳定承载力。     

蜂窝构件开孔截面焊接残余应力分布研究

该文采用盲孔法,对7根蜂窝式钢构件开孔处截面焊接残余应力进行检测,对比六边形和圆形两种典型孔型下,不同开孔率、开孔方式蜂窝构件开孔处截面纵向焊接残余应力数值大小和分布范围。分析不同影响因素下,蜂窝构件开孔处板桥残余应力变化特点。结果表明:蜂窝构件开孔处截面焊接残余应力较实腹构件分布趋势相似,焊缝区残余应力峰值接近钢材屈服强度。蜂窝构件腹板开孔形状对焊接残余应力分布影响很小;板桥残余应力峰值随着开孔率的增大而减小;腹板直接开孔蜂窝构件较切割错位焊接蜂窝构件残余应力分布有所不同。在试验数据数值分析的基础上,提出了不同加工工艺下蜂窝构件开孔截面焊接残余应力分布模式,为后续蜂窝构件整体稳定承载力研究提供基础数据。     

Q420焊接圆钢管轴心受压稳定性能试验和设计方法研究

该文进行了15个Q420高强度钢材埋弧焊接圆钢管柱轴心受压试验研究,基于试验结果总结了其失稳变形特征,分析比较了15个试件的稳定系数与我国规范柱子曲线计算值的关系,并验证了有限元模型的可靠性。基于有限元参数分析计算结果,对比60个试件的稳定系数与我国规范柱子曲线计算值的关系,对Q420高强度钢材埋弧焊接圆钢管的整体稳定设计方法提出两种建议:一是对于我国规范柱子曲线选择的建议,即对于Q420埋弧焊接圆钢管可以按a类截面计算其稳定承载力;二是更新我国柱子曲线整体稳定系数φ的计算参数α₁、α₂、α₃,建议了一条新的设计曲线。     

Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁整体稳定性能与设计方法研究

为研究Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁的整体稳定性能以及完善规范中关于此类构件的设计方法,进行了6根集中荷载作用下Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁的整体稳定性能试验,测量了试件的初始几何缺陷和截面残余应力。试验结果表明：当单伸臂梁整体失稳的控制梁段位于简支跨时,单伸臂梁的整体稳定承载力随伸臂长度比的增大而减小,截面高宽比较伸臂长度比对单伸臂梁整体稳定承载力的影响更大。在试验基础上,运用有限元程序创建考虑初始几何缺陷和残余应力的有限元模型对试验进行模拟,模拟结果与试验结果吻合良好;基于试验验证的有限元模型,分析荷载形式、荷载比例、简支跨长度、伸臂跨长度和截面高宽比等因素对Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁整体稳定承载力的影响规律。基于特征值屈曲分析结果,回归出单伸臂梁的弹性屈曲临界弯矩计算公式,并通过对试验结果和有限元参数分析结果的回归提出了Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁的极限弯矩计算公式。     

高强钢管UHSC轴压柱整体稳定性能研究

为了解高强材料组合结构的受力性能,开展了7根高强钢管超高强混凝土(UHSC)轴压柱的整体稳定性能试验,探讨了长径比对其破坏模式、荷载-位移曲线、荷载-挠度曲线以及钢管应变等力学特征的影响.试验结果表明,长径比对高强钢管UHSC柱整体稳定性能的影响机理与普通钢管混凝土柱类似,但前者组成材料弹性比例高,更易发生突然的失稳弯...     

高强度等边角钢轴心受压局部稳定的试验研究

该文针对高强度等边角钢的局部稳定受力性能,对Q420热轧等边角钢短柱进行了轴心受压试验。根据试验结果,该文对角钢肢的弹性嵌固系数的取值进行了研究,并与我国、美国和欧洲钢结构设计规范的相应设计方法和计算公式进行了对比分析。结果表明：我国钢结构设计规范对于角钢肢的弹性嵌固系数的取值是合理的;美国和欧洲钢结构设计规范的计算结...     

圆钢管混凝土压弯长柱非线性屈曲承载力的理论研究

基于三维线弹性大变形理论,构造了三维非线性虚拟层合单元法,利用此法对钢管混凝土压弯长柱的非线性屈曲承载力进行了研究,有限元分析结果与试验结果符合良好。最后,以典型截面形式为例,研究了长细比、偏心率等参数对钢管混凝土长柱承载力的影响,研究结果可供工程设计和施工参考。     

除尘器壳体双肢组合截面立柱轴压稳定性研究

除尘器壳体围护结构中的立柱因需要支承顶部较宽截面的箱形梁以及承担较大的轴力而设计成双肢H型钢组合截面。利用非线性有限元方法,研究此双肢组合截面柱在考虑初始缺陷情况下承受轴向压力时的稳定性。研究表明,立柱轧制、墙板与立柱焊接产生的残余应力会小幅降低立柱稳定承载力。立柱的失稳形式为柱顶跨段内前翼缘与前腹板组成T形截面整体弯扭失稳与腹板局部失稳同时发生的相关失稳。墙板与两肢间连接墙板作为蒙皮板,为立柱承担部分荷载并约束其侧向变形。连接墙板越靠近前翼缘,立柱的稳定性越好。连接墙板宽度、墙板宽度、墙板角钢加劲肋刚度和节点连接板厚度等因素对立柱稳定性影响较小。仅邻近立柱的墙板和连接墙板增厚可对立柱稳定性有增强作用,远离立柱的墙板壁厚影响较小。立柱稳定系数与H型钢柱翼缘宽厚比的关系不是单调的;立柱绕弱轴弯曲长细比、腹板高厚比的增大会降低立柱稳定性。基于大量非线性有限元计算结果,提出了除尘器壳体中双肢组合截面轴心受压柱稳定承载力的计算建议。     

焊接箱形截面不锈钢柱相关稳定性能分析

采用有限元法对焊接箱形截面不锈钢柱的局部与整体相关稳定性能进行分析,研究利用板件的屈曲后强度,以实现更为经济合理的构件截面设计。建立了可以准确模拟不锈钢非线性材料力学性能、截面焊接残余应力和构件的局部与整体几何初始缺陷等因素的精确有限元数值模型,并依据试验结果对模型的可靠性进行了验证。基于验证可靠的有限元模型,开展了系统参数分析,同时补充了大量的数值计算数据点。根据得到的试验和有限计算结果,对相关稳定承载力的理论计算方法进行了比较分析,表明现有的方法应用较为复杂,而且可能高估构件的相关稳定承载力。针对奥氏体型和双相型两类不锈钢提出了通用的计算修正系数,给出了新的直接强度法计算公式,经试验与有限元计算结果验证,表明其能够准确计算焊接箱形截面不锈钢柱的相关稳定承载力。